Aufgaben: Die Fortpflanzung der Pflanzen

Nenne die vier Blattkreise einer vollständigen Blüte (Kelch, Krone, Androeceum und Gynoeceum) und gib die Bestandteile und die Funktion von jedem an.

Unterscheide Bestäubung und Befruchtung, indem du angibst, was in jedem Vorgang transportiert wird, auf welchem Weg und welche Blütenstrukturen beteiligt sind.

Aus welcher Blütenstruktur geht die Frucht hervor und aus welcher der Samen? Nenne ein Beispiel für eine fleischige und eines für eine trockene Frucht und gib an, welchen Teil wir jeweils essen.

Unterscheide Blüte und Blütenstand und nenne ein Beispiel für einen Blütenstand (Körbchen der Sonnenblume, Ähre des Weizens, Dolde der Karotte); erkläre, welchen Vorteil es haben kann, viele kleine Blüten zusammenzufassen.

Erkläre, was zwittrige und eingeschlechtige Blüten sind und was einhäusige und zweihäusige Pflanzen sind, jeweils mit einem Beispiel (Mais; Kiwi oder Stechpalme).

Was ist Nektar und welche Blütenstrukturen bilden ihn (Nektarien)? Erkläre den „Vertrag“, den er zwischen Pflanze und Bestäuber begründet (Nahrung im Austausch für den Transport von Pollen).

Nenne die Teile des Perikarps einer fleischigen Frucht (Exokarp, Mesokarp und Endokarp) am Beispiel der Kirsche und erkläre den Unterschied zwischen echter und falscher Frucht (Scheinfrucht: der Apfel, die Erdbeere).

Erkläre, was Keimung ist und welche drei äußeren Bedingungen ein Samen braucht (Wasser, Sauerstoff und geeignete Temperatur), und begründe, warum Samen, die in einem trockenen Glas aufbewahrt werden, nicht keimen.

Beschreibe den Fortpflanzungszyklus einer bedecktsamigen Pflanze von dem Moment, in dem ein Pollenkorn auf die Narbe gelangt, bis zur Bildung des Samens: Pollenkeimung, Pollenschlauch und doppelte Befruchtung (vereinfacht).

Vergleiche die Blütenanpassungen windbestäubter Pflanzen (Windbestäuber, wie die Süßgräser) und insektenbestäubter Pflanzen: Blüten, Pollen, Nektar und Effizienz des Vorgangs.

Betrachte die Blüte im Schnitt auf dem Bild. a) Gib an, welche Nummern zum Androeceum und zum Gynoeceum gehören und aus welchen Teilen jedes besteht. b) Erkläre die Funktion der Strukturen 4 und 5 bei der Fortpflanzung. c) Beschreibe, was mit der Struktur 6 und den darin enthaltenen Samenanlagen nach der Befruchtung geschieht.

Viele Pflanzen mit zwittrigen Blüten können sich nicht selbst befruchten. Erkläre zwei Mechanismen, die das verhindern (zeitlich versetzte Reifung von Staubblättern und Narbe, genetische Selbstinkompatibilität), und begründe, welchen evolutionären Vorteil es hat, die Selbstbefruchtung zu verhindern, auch wenn dabei das Risiko besteht, ohne Samen zu bleiben.

Die Orchidee Ophrys ahmt ein Bienenweibchen nach und lockt Männchen an, die beim Versuch der Paarung bestäuben. Erkläre, was Koevolution zwischen Blüte und Bestäuber ist, welche Merkmale der Blüte (Form, Farbe, Duft) an der Täuschung beteiligt sind und warum eine so extreme Spezialisierung zugleich ein Vorteil und ein Risiko ist.

Ordne die Struktur jeder Verbreitungseinheit ihrem Verbreiter zu: den Pappus des Löwenzahns und die Flügel der Ahornfrucht dem Wind, die Kokosnuss dem Wasser. Erkläre, welche Merkmale (Leichtigkeit, Oberfläche, Schwimmfähigkeit) jedes Medium auslesen und warum eine Ausbreitung weit weg von der Mutterpflanze die Konkurrenz verringert.

Die Dormanz stimmt die Keimung auf die günstige Jahreszeit ab. Erkläre drei Mechanismen, die sie aufrechterhalten (harte, undurchlässige Samenschale, chemische Hemmstoffe, Notwendigkeit einer Kälteperiode – Stratifikation), und welches Signal jeden aufhebt, und nenne für jeden Mechanismus ein Pflanzenbeispiel.

Manche mediterranen Kiefern behalten ihre Zapfen geschlossen, bis ein Brand darübergezogen ist (Serotinie), und bestimmte Samen keimen nur durch Rauch. Erkläre, worin diese Anpassungen an Feuer bestehen und welchen Vorteil es hat, gerade nach einem Brand zu keimen (freier Boden, Licht, nährstoffreiche Asche).

In einem iberischen Naturpark werden die Verbreitungseinheiten dreier nicht bestimmter Pflanzenarten (A, B und C) untersucht:

• Die Verbreitungseinheit A besitzt ein schwammiges Perikarp von geringer Dichte mit großen luftgefüllten Hohlräumen und eine wachsartige, hydrophobe äußere Kutikula.

• Die Verbreitungseinheit B besteht aus einer Achäne mit federartigem Pappus, der im Verhältnis zu ihrer Masse (0,02 g) eine große spezifische Oberfläche hat.

• Die Verbreitungseinheit C hat ein fleischiges, zuckerhaltiges Mesokarp von leuchtend rötlicher Farbe und ein steinhartes Endokarp mit Lignin, das gegen saure pH-Werte und Proteasen beständig ist.

1. a) Leiten Sie das Ausbreitungssyndrom (Anemochorie, Endozoochorie oder Hydrochorie) jeder Art ab und begründen Sie, welchen funktionalen Vorteil jede beschriebene anatomische Anpassung bringt.
2. b) Nennen Sie für jede der drei beschriebenen Strategien eine repräsentative Art der iberischen Flora.
3. c) Wird ein Staudamm gebaut, der den saisonalen Abfluss unterbricht und den Auenwald zerschneidet, sagen Sie begründet voraus, welche der drei Populationen die stärkere genetische Isolation und die geringere Rekrutierungsdistanz der Keimlinge von der Mutterpflanze erleiden wird.

Um die Anpassung an Trockenheit bei einer einjährigen Pflanze aus dem Südosten der Iberischen Halbinsel zu untersuchen, werden 400 frisch geerntete, reife Samen in vier gleich große Gruppen aufgeteilt, die in Petrischalen bei 22 °C unterschiedlichen Versuchsbedingungen ausgesetzt werden:

• Gruppe 1 (Standardbewässerung): Befeuchtung mit dauerhaft 5 mL destilliertem Wasser. Ergebnis: 0 % Keimung.

• Gruppe 2 (Skarifizierung): mechanisches Anrauen der Samenschale + 5 mL destilliertes Wasser. Ergebnis: 4 % Keimung.

• Gruppe 3 (simulierter Starkregen): ständiges Spülen mit fließendem Wasser über 48 h (entspricht 75 mm Niederschlag) und anschließende feuchte Ruhephase. Ergebnis: 88 % Keimung.

• Gruppe 4 (simulierter Schwachregen): kurzes Spülen mit 5 mL über 15 Minuten (entspricht 4 mm Niederschlag). Ergebnis: 2 % Keimung.

1. a) Interpretieren Sie die Ergebnisse: Welche Art der Dormanz (physikalisch durch die Samenschale oder physiologisch durch lösliche chemische Hemmstoffe) zeigt die Art? Begründen Sie Ihre Antwort, indem Sie sie mit dem Hormonhaushalt zwischen Abscisinsäure (ABA) und Gibberellinen in Beziehung setzen.
2. b) Begründen Sie aus evolutionsbiologischer Sicht, warum eine Mutation, die die Dormanz ausschalten und 100 % der Samen nach einem Regenpuls von nur 4 mm zum Keimen bringen würde, in diesem Lebensraum negativ selektiert würde (letale Strategie).
3. c) Erklären Sie den Begriff „persistente Samenbank im Boden“ und begründen Sie, warum eine über mehrere Jahre gestaffelte Keimung eine zentrale Anpassung an ein stark unvorhersehbares Niederschlagsregime darstellt.

In einem botanischen Labor werden drei Pflanzenorganismen (X, Y und Z) in abgeschlossenen Klimakammern kultiviert, in denen die relative Luftfeuchtigkeit auf 45 % eingestellt ist und die Bewässerung ausschließlich kapillar von unten erfolgt, sodass die Oberfläche der Pflanzen nie benetzt wird:

• Bei Art X ist das dominante grüne Individuum haploid. Es bildet reife männliche und weibliche Fortpflanzungsorgane aus, doch nach mehreren Monaten ist weder ein Embryo noch eine diploide Struktur zu beobachten.

• Bei Art Y ist die dominante fotosynthetisierende Pflanze ein diploider Kormus, der Meiosporen bildet. Die Sporen keimen im Boden und bilden eine eigenständige, flächige grüne Struktur, doch unter diesen Kulturbedingungen wird nie ein neuer Sporophyt gebildet.

• Bei Art Z ist die dominante Pflanze ein diploider Baum mit nadelförmigen Blättern und Zapfen; sie bildet Pollenkörner, die auf den Schuppen der weiblichen Zapfen erfolgreich keimen, die Eizellen befruchten und völlig normal keimfähige Samen hervorbringen.

1. a) Leiten Sie ab, zu welcher Pflanzengruppe (Moose, Farnpflanzen oder Nacktsamer) jeder Organismus gehört, und geben Sie an, welche Generation (Gametophyt oder Sporophyt) jeweils dominiert.
2. b) Erklären Sie auf anatomischer und physiologischer Ebene, welcher Vorgang bei den Arten X und Y unter den Versuchsbedingungen scheitert und welche evolutive Neuerung es Art Z ermöglicht, die Befruchtung ohne jegliches freies Oberflächenwasser abzuschließen.
3. c) Angenommen, eine anhaltende Dürre ließe feuchte Mikrohabitate an der Oberfläche verschwinden: Sagen Sie voraus, welche Generation (Sporophyt oder Gametophyt) der Art Y den Flaschenhals darstellen würde, der zu ihrem lokalen Aussterben führt. Begründen Sie Ihre Schlussfolgerung.

Eine ländliche Gemeinde hat zwei benachbarte landwirtschaftliche Betriebe mit je 50 ha: Betrieb A baut Mandelbäume (Prunus dulcis) an, Betrieb B Gerste (Hordeum vulgare). Im letzten Jahrzehnt hat der intensive Einsatz von Breitbandinsektiziden in der Region zu einem Rückgang der wild lebenden Bestäuberpopulationen (Wildbienen, Hummeln und Schwebfliegen) um 75 % geführt.

1. a) Sagen Sie begründet voraus, wie sich der wirtschaftliche Ertrag und die Produktion (in kg/ha) der beiden Betriebe jeweils verändern, und argumentieren Sie anhand der Blütenmorphologie und des Pollentransportmechanismus der jeweiligen Kulturpflanze.
2. b) Der Besitzer von Betrieb A plant, Völker der Honigbiene (Apis mellifera) zu kaufen und auszusetzen, und zwar als alleinige Lösung. Bewerten Sie diesen Vorschlag kritisch: Begründen Sie zwei ökologische oder biologische Einschränkungen, wenn man sich nur auf eine einzige domestizierte Bestäuberart statt auf die Wildbestäubergemeinschaft verlässt.
3. c) Entwerfen Sie drei konkrete agrarökologische Maßnahmen für die Randbereiche von Betrieb A, die darauf abzielen, die wild lebenden Bestäuber langfristig zu fördern und zu erhalten, und bewerten Sie jeweils den Kosten- bzw. Flächenaufwand für den Landwirt.

In einer jungsteinzeitlichen Fundstätte werden Weizenproben untersucht, die auf zwei historische Zeitpunkte datiert sind:

• Probe 1 (vor 10 500 Jahren): 82 % der Ährenreste sind Spindelglieder mit glatten Narben spontaner Ablösung (brüchige Ährenspindel) und Karyopsen mit fest anhaftenden Spelzen.

• Probe 2 (vor 7 000 Jahren): 96 % der Ähren haben eine Spindel mit unregelmäßigem Bruch, der durch mechanisches Schlagen entstanden ist, und nackte Körner, die sich leicht aus der Spelze lösen.

1. a) Interpretieren Sie die beobachtete Veränderung zwischen beiden Proben im Sinne künstlicher Selektion: Warum selektierten die ersten Ackerbauern unbewusst Mutanten mit nicht brüchiger Spindel und freiem Korn?
2. b) Begründen Sie, warum der Phänotyp von Probe 2 für die Pflanze in einem natürlichen Ökosystem eine eindeutig nachteilige (selbstschädigende) Mutation darstellen würde, und argumentieren Sie mit der völligen Abhängigkeit des heutigen Weizens von der Aussaat durch den Menschen, um innerartliche Konkurrenz zu vermeiden und die Verbreitung zu sichern.
3. c) Anders als die einjährigen, über Samen domestizierten Getreide wurden viele in der Antike domestizierte Obstgehölze (wie Feige, Olive oder Weinrebe) durch Stecklinge und Veredelung vermehrt. Begründen Sie den genetischen Vorteil der ungeschlechtlichen Vermehrung für den Erhalt erwünschter Merkmale gegenüber der Vermehrung durch Samen bei fremdbestäubenden, heterozygoten Arten.

Ein Küstenschutzteam versucht, zwei invasive Arten in einem Dünensystem zu beseitigen:

• Fall 1: Die Hottentottenfeige (Carpobrotus edulis), eine kriechende Sukkulente, wird vor Ort mit schwerem Gerät zerkleinert und gerodet. Nach vier Monaten hat sich die Deckungsdichte der Pflanze in der gesamten behandelten Fläche verdreifacht.

• Fall 2: Das Pampasgras (Cortaderia selloana), ein riesiges, horstbildendes, zweihäusiges Gras, wird am Ende des Sommers bodennah abgeschnitten, die erwachsenen Exemplare werden entfernt. Im folgenden Frühjahr keimen Zehntausende Keimlinge in einem Umkreis von mehr als 2 km windabwärts.

1. a) Begründen Sie das Scheitern beider Maßnahmen, indem Sie erklären, welche Fortpflanzungsstrategie (geschlechtlich oder ungeschlechtlich) und welche Art von Verbreitungseinheit jede Art genutzt hat, um so vital zu reagieren.
2. b) Entwerfen Sie eine methodische Änderung für die Beseitigung der Hottentottenfeige, die die Ausbreitung vegetativer Verbreitungseinheiten verhindert und die endgültige Entfernung der Biomasse sicherstellt, ohne die Düne zu erodieren.
3. c) Nennen Sie drei streng fortpflanzungsbiologische Kriterien (zur Art der Bestäubung, zur Fruchtbarkeitsrate, zur Verbreitung oder zur Persistenz der Samen), die ein gesetzliches Verkaufsverbot einer Zierpflanze im Gartenbau rechtfertigen, noch bevor sie ihr invasives Potenzial gezeigt hat.

Ein Landwirt baut in benachbarten Gärten zwei im Saatguthandel gekaufte Sorten an: F1-Hybrid-Zucchini (aus der Kreuzung zweier homozygoter reiner Linien, um gerade und sehr vitale Früchte zu erhalten) und traditionelle Tomaten einer alten lokalen Sorte. Am Ende der Saison sammelt er Samen der besten Früchte beider Kulturen und sät sie in der folgenden Saison aus:

1. a) Bei der Ernte der Zucchini der zweiten Generation (F2) stellt der Landwirt überrascht eine enorme Uneinheitlichkeit fest: bittere und raue Zucchini, andere missgebildete und Pflanzen mit deutlich geringeren Erträgen als im Vorjahr. Begründen Sie dieses Phänomen genetisch, indem Sie die mendelschen Regeln sowie die Konzepte Heterosis (Hybridvitalität) und Allelspaltung in der F2 anwenden.
2. b) Die aus eigenen Samen gezogenen Tomatenpflanzen hingegen behalten die geschmackliche Qualität und die Einheitlichkeit der vorjährigen Ernte getreu bei. Begründen Sie diesen Unterschied anhand der Blütenmorphologie (Kleistogamie oder eingeschlossene Narbe) und der jeweils vorherrschenden Bestäubungsstrategie (Selbstbestäubung gegenüber Fremdbestäubung) der beiden Arten.
3. c) Bewerten Sie die sozioökonomischen und ökologischen Folgen einer kommerziellen Landwirtschaft, die fast ausschließlich von F1-Hybridsaatgut abhängt: Stellen Sie die jährliche Abhängigkeit des Landwirts von Saatgutunternehmen dem Verlust an Agrobiodiversität gegenüber unvorhergesehenen Umweltbelastungen gegenüber.

Ein internationales Zentrum für genetische Ressourcen erhält zwei Sammlungen pflanzlichen Keimplasmas: Lot 1 enthält Samen der Wildlinse (Lens culinaris), Lot 2 Samen der Avocado (Persea americana). Auf beide Lots wird das Standardprotokoll von Saatgutbanken wie der in Svalbard angewendet: erzwungene Trocknung auf 5 % Wassergehalt und anschließendes Einfrieren bei -18 °C.

1. a) Nach einem Jahr Lagerung wird die Keimfähigkeit geprüft: Lot 1 zeigt 95 % Keimfähigkeit, bei Lot 2 beträgt sie 0 % und die Embryonen zeigen eine generalisierte Zelllyse. Begründen Sie dieses Ergebnis physiologisch, indem Sie zwischen orthodoxen und rekalzitranten Samen unterscheiden und erklären, welche Zellschäden Frost in nicht austrocknungstoleranten Pflanzengeweben verursacht.
2. b) Entwerfen Sie zwei alternative ex-situ-Erhaltungsstrategien, um die genetische Vielfalt von Lot 2 langfristig zu bewahren, wobei zu berücksichtigen ist, dass seine Samen die herkömmliche Lagerung nicht vertragen.
3. c) Begründen Sie im Kontext der aktuellen Klimakrise, warum die Erhaltung wilder und traditioneller Sorten mit geringeren unmittelbaren Erträgen in Genbanken für die Zukunft der Menschheit biologisch wertvoller ist als die ausschließliche Bewahrung der wenigen hochproduktiven Handelssorten, die den heutigen Markt dominieren.

Herausforderung zum Thema. Haben Sie sich schon einmal überlegt, wie Pflanzen die Reifung ihrer Früchte koordinieren, um ihre Verbreitung zu sichern? Verwandeln Sie Ihre Küche in ein botanisches Labor, um das zu untersuchen.

1. Bestandsaufnahme zur Fortpflanzung: Wählen Sie zwei pflanzliche Lebensmittel aus Ihrem Vorratsschrank aus: eines als Ergebnis geschlechtlicher Fortpflanzung (mit Samen, z. B. eine Tomate oder Paprika) und eines aus ungeschlechtlicher vegetativer Vermehrung (eine Knolle oder Zwiebel). Beschreiben Sie in einem Steckbrief ihre Fortpflanzungsstrukturen und wie daraus ein neues Individuum entsteht.

2. Biotest zu Pflanzenhormonen: Besorgen Sie sich zwei identische unreife Proben (grüne Bananen oder Tomaten). Geben Sie eine davon zusammen mit einer reifen Frucht (starke Ethylenquelle) in eine verschlossene Tüte und lassen Sie die Kontrolle an der Luft liegen. Protokollieren Sie die Veränderungen von Festigkeit und Farbe alle $12,0$ Stunden über $48$ Stunden und bewerten Sie sie auf einer Reifeskala von $1,0$ bis $5,0$.

3. Begründeter Bericht: Erstellen Sie einen kurzen Bericht (Vergleichstabelle und Schlussfolgerungen), in dem Sie die physiologische Wirkung von Ethylen im Vergleich zu Auxinen oder Gibberellinen erklären und den Anpassungsvorteil des Wechsels zwischen geschlechtlicher und ungeschlechtlicher Fortpflanzung bei den Bedecktsamern begründen.

Bewertet wird:

• genaue anatomische Bestimmung der untersuchten Fortpflanzungsstrukturen.

• methodische Sorgfalt bei der systematischen Datenerfassung des Biotests.

• biologische Begründung der Rolle der Pflanzenhormone und des Anpassungserfolgs der pflanzlichen Fortpflanzung.